教案

1 计算机的基础知识

教学目的：

解释计算机的基本知识及计算机技术的发展状态包括有关电子计算机和微型计算机的基本概念，微型计算机的分类及计算机的运算基础。最后通过对一个模型机执行指令过程的分析，了解和熟悉微型计算机的结构、特点和工作过程。

教学要求

通过对本章的学习学生能够：

1、 简述计算机的应用领域、特点、文化的含义

2、 描述计算机的发展过程、趋势和关键人物

3、 微型机的概述

重点难点

计算机的相关的基本知识

知识要点

计算机的发展过程

内容概述

计算机是一种能快速的、自动完成信息处理的电子设备，由于它能模拟人的大脑去处理各种信息，故俗称电脑。计算机是20世纪人类最伟大的科学技术发明之一，它的出现和发展大大推动了科学技术的发展，同时也给人类社会带来日新月异的变化，随着信息时代的到来，计算机已经成为现代人类活动中不可缺少的工具，本章的内容主要是为后续章节的学习提供一些基本知识。 2 第一节 电子计算机概述

一、电子计算机的发展简况

电子数学计算机（简称电子计算机）是一种能自动地、高速地进行大量运算的电子设备，它能通过对输入数据进行指定的数值运算和逻辑运算来求解各种计算问题，也能用来解决各种数据处理问题，是一种自动信息处理工具。当它与一定的机电设备或仪器仪表相结合时，它就能实现对生产或实验过程的控制。

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学的ENIAC(Electronic

Numerical Integrator and Calculator,电子数值积分器和计算器)开始运行，这就是世界上第一台电子数字计算机。电子计算机的出现在人类科技史上具有划时代的意义，它有力地推动着经济、文化、教育和科学技术的发展，使人类的生产活动、生活方式以至精神文化生活发生了极其深刻的变革。当前计算机的发展和应用水平已经成为一个国家现代化水平的重要标志之一。

从电子计算机主机所使用的主要元器件的性质着手，电子计算机的发展经历了四代的变迁。

第一代——电子管计算机。从1946年开始，以电子管为主要器件，运算速度为每秒几千次。特点是精度低、存储容量小、稳定性差、体积庞大，早已被淘汰。

第二代——晶体管计算机。从1957年开始，以晶体管为主要器件，同时采用磁芯存储作为主存储器，磁带和磁盘为辅助存储器。运算速度达到每秒几万次到几十万次，特点是精度较高、存储容量 3 较大，稳定性较好、体积较小，目前也已被淘汰。

第三代——集成电路计算机。从1964年美国IBM360系列机推出开始，以中、小规模集成电路为主要器件，采用半导体存储器取代磁芯存储器。运算速度达到每秒几十万次到几百万次。特点是运算精度高、存储器容量大，可存储几万到几十万个数据和指令，体积进一步缩小，稳定性好。

第四代——大规模和超大规模集成电路计算机。1970年研制成功，1971年正式开始生产的IBM370系列机为开端，运算速度可达每秒几千万次至上亿次。其特点是精度更高、存储容量更大、稳定性更好。80年代初以个人计算机为代表的微型计算机问世以来，得到迅速发展，目前已成为计算机工业的主流产品。

从计算机科学技术的发展趋势看，未来的计算机将是半导体技术、光学技术、超导技术和电子仿生技术等相互结合的产物。由于集成光学、超导器件以及电子仿生技术的开发将为计算机开拓更加广泛的应用领域，从而将出现光学数字计算机、超导计算机以及人工智能计算机等全新的计算机。可以预见新一代的计算机主要着眼于机器的智能化，以知识库为基础，采用智能接口，能进行逻辑推理、完成判断和决策，具有自然的人机通信能力等。

二、电子计算机硬件的主要组成部分

电子计算机系统由硬件( Hardware)和软件(Software)组成。硬件系统是指计算机的所有物理部件的集合，是计算机系统的“实体”。硬件提供了计算机应用的物质基础。软件是计算机程序、程序所使用 4 的数据以及有关的文档资料的集合。

按经典的定义，电子计算机的硬件系统由五部分组成，如图1-1所示

原始数据

运算结果

程序

数据信息

控制信息

图1-1 计算机硬件的主要组成

由图1-1可见，计算机硬件的组成部分是：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，其中运算器和控制器合称中央处理机（或称中央处理单元），简称CPU(Central Processing Unit)o CPU与存储器合称主机。输入设备和输出设备合称外部设备。

（一）输入设备

向主机送入信息（数据、程序以及各种字符信息）的设备，是“人—机联系”的主要设备。输入设备对电子计算机而言是必不可少的，否则，人的意图、原始数据等都无法进入计算机，常用的输入设备有键盘、鼠标器、数字化仪、光笔、扫描仪以及数字照相机等。

（二）存储器

计算机之所以能够自动地、高速地进行各种复杂的运算，其原因之一是它能把算题所需的各种数据和程序事先存放在一个记忆装置输

入

设备 存储器

控制器 运算器

输

出

设备 5 中，这个记忆装置就是存储器。存储器的功能是存储程序和数据以及中间结果，在运算和处理过程中由存储器快速提供给运算器进行加工处理。这就是“程序存储”的工作方式。

在电子数字计算机中，不论是数据还是程序都是用二进制数（0或1）表示的，称为代码，把代码存入存储器称为“写入”（简称“写”或“存”），把代码从存储器中取出称为读出（简称“读”或“取”）。对存储器的读写操作又称为存取或访问(Access)。

存储器通常分为内存储器（简称“内存”）和外存储器（简称“外存”）两类。内存设置在主机内部，用来存放当前运行所需要的程序和数据，以便向中央处理机高速传送信息。内存一般容量较小，但存取速度较高，它由半导体存储器组成。而外存设置在主机外部，用来存放当前暂不参加运算的大量数据，在需要时可与内存成批交换数据。外存容量较大，但存取速度较低。常用的外存储器有磁盘（包括硬磁盘和软磁盘）、磁带和光盘等。内存储器又称为主存储器（简称主存），外存储器又称辅助存储器（又称辅存）。

（三）运算器

运算器是直接完成各种算术、逻辑运算的部件，主要由ALU

(Arithrnetic and Logic Unit，算术逻辑部件)、通用寄存器、标志寄存器等组成。算术运算就是加、减、乘、除等运算，逻辑运算是按逻辑代数规则进行的运算，如逻辑与、逻辑或等。此外，电子计算机还需实现数码的传送和移位等动作。上述运算和动作统称为“操作”。指挥计算机进行操作的命令称为“指令”，一台机器所具有的指令的 6 集合称为“指令系统”。

（四）控制器

控制器是整个计算机的指挥系统，它对所要执行的程序中的每一条指令进行分析、判断，然后向计算机各部件发出控制信号来指挥整个机器自动地、协调地进行工作。控制器的主要功能是：①在控制器的控制下，将程序和原始数据送入内存；②控制运算器和内存等部件实现自动运算和处理，并将结果送到输出设备；③控制内存与外存之间的信息交换；④控制随机事件的处理。

（五）输出设备

输出设备是接收主机输出的信息（计算机工作的中间结果或最终结果），并把它显示出来的设备。常用的输出设备有打印机、显示器、自动绘图机等。

在计算机运行时内部存在有两种信息流：一种是被处理的数据，存放在内存储器中，流经运算器的各个部件，再经过逐步的加工，获得运算结果后再流回内存储器存放，这是“数据流”。另一种是被执行程序的指令序列，事先也存放在内存储器中，流经控制器的各部件，被分解剖析，发出各种控制信号，指挥数据信息的运算处理，这是指令流。计算机的内部工作就是这两种信息流的流动和相互作用的过程，如图1-1所示。

三、微型计算机概述

（一）微处理器、微型计算机和微型计算机系统

在应用大规模集成电路的第四代电子计算机中，由于集成技术的 7 迅猛发展，集成电路的集成度大大提高，可以把整个运控部件——CPU集成在一片半导体芯片上，这就是微处理器(Microprocessor，μP)的出世。

1．定义

微处理器是指由大规模集成电路构成的中央处理器。

微型计算机（Microcomputer，μC）是指以微处理器为基础，配以内存储器以及输入／输出(I/O)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。

微型计算机系统(Microcomputer System，μCS)是指由微型计算机配以相应的外部设备（如打印机、显示器、磁盘机、磁带机和键盘等），足够的软件、电源、面板和机架而构成的计算机系统。

必须要指出，现代的高档微处理器内部除基本的运控部件外，还集成有更多的功能部件，如存储器管理部件MMU（Memory Management

Unit）、高速缓冲存储器(Cache)、浮点运算部件FPU (Floating Point

Unit)等，使微处理器的功能越来越强。

微处理器、微型计算机与微型计算机系统三者的关系如下：

运算器

微处理器 控制器

寄存器组

内存储器

输入/输出接口

微型计算机系统 输入/输出设备和外存储器

系统软件

应用软件

电源、面板和机架等

2.位、字节、字和双字

下面介绍在计算机中常用的几个术语。 微型计算机 8 （1）位——bit，是计算机表示一个二进制数的最基本的、也是最小的单位。bit是Binary Digit的缩写。

（2）字节——Byce，一字节等于8位（bit）二进制数。

（3）字——Word，CPU中运算器处理信息的基本单位，通常也指CPU与输入输出设备和内存储器之间传送数据的基本单位，即数据总线的宽度。微型计算机（或微处理器）的字长有1位、4位、8位、16位和32位（对应于1位机、4位机、8位机、16位机和32位机）等。

需要说明的是，在微型计算机的汇编语言程序设计中，8位二进制数的操作称为字节操作，16位二进制数的操作称为字操作、32位二进制数的操作称为双字操作。在32位微机系统中，可以进行字节操作，也可进行字操作和双字操作。

（二）微处理器发展简况

微处理器问世于70年代初，在短短的30年中，经历了四代的发展，正步人第五代。微处理器的分代是以其运算器的位数（指一次能处理二进制信息的位数，通常为CPU内部数据总线的宽度）为标志的。

（1）第一代。从1971年开始，这是4位微处理器和低档8位微处理器的时期，其典型产品为：

1971年10月，Intel公司的4004（4位微处理器）；1972年3月，Intel公司的8008（8位微处理器），集成度为2000个管子／片，采用P- MOS工艺，10μm光刻技术。

（2）第二代。以1973年开始，这是8位微处理器的时期，其